一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网MAC协议

任 智,严 炎,周海东,葛理威

(重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室,重庆 400065)

1 引 言

太赫兹(terahertz,THz)波[1,2]是一种频率为0.1THz～10THz的电磁波,其波长介于毫米波和红外光波之间.太赫兹通信[3,4]使用太赫兹波进行通信,极大的带宽使其能够支持10 Gbps的数据传输[5],能够满足人们日益增长的高速无线上网需求,将成为未来无线通信的重要手段[6].在实际通信环境中,太赫兹波受大气衰减较为严重[7],其传播距离一般较短,故其更适用于室内近距离高速无线通信.

太赫兹无线个域网[8]是一种无需基础设施的自组织网络,各个设备之间能够直接进行通信,由于其采用太赫兹波进行通信,故能够实现多个设备之间超高速率数据交换,在未来具有广泛的应用前景.

太赫兹无线网络媒介接入控制(media access control,MAC)协议作为太赫兹无线通信的关键技术之一[9],其有关标准还处于研究制定阶段.现有的超高速无线MAC协议标准中[10],适用于高载波频率的协议有IEEE 802.15.3c 和 IEEE 802.11.ad,他们都用于载波频率为60GHz的无线通信.Sebastian Priebe[11]在对太赫兹无线通信MAC层技术进行深入研究后,明确指出了IEEE 802.15.3c开销相对较少,更适用于太赫兹无线通信.EJ Kim[12]提出了一种基于各扇区内无线通信设备的数量来动态调整相应CAP时段的方法.该方法提高了节点竞争信道时隙的效率及设备间的公平性,能更好地利用时隙资源.H Assasa[13]对帧聚合技术进行了一定的研究,在帧聚合条件下提出了适当等待机制,在满足最小帧聚合大小或最大等待时长,即发送数据包,相比于以往的不等待机制提高了信道资源的利用率.曹建玲等[14]针对现有IEEE 802.15.3c协议中存在的时隙请求量未及时更新、超帧结构不合理等问题,提出了一种高吞吐量低时延的MAC(high throughput low delay MAC,HLMAC)协议,通过设计一种新的超帧结构,将CAP时段放置到CTAP时段之后,使节点及时得到时隙分配信息,大大降低了数据的接入时延.

本文以HLMAC协议为基础,在其上进行改进以适用于太赫兹无线通信.针对现有太赫兹MAC协议存在的时隙资源浪费、标准帧聚合传输不可靠等问题,提出了一种可靠高时隙利用率的太赫兹MAC协议,减少了时隙资源的浪费,提高了传输的可靠性.

2 网络模型与问题描述

2.1 网络模型

本研究基于现有的IEEE 802.15.3c 协议,使用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和TDMA(Time Division Multiple Access)混合接入方式,在其基础上进行修订以形成新的MAC协议,使其适用于太赫兹无线通信.在新的协议中网络时间被划分为多个长度可不等的超帧,每个超帧又包含有先后顺序的3个子帧:BP(Beacon period)、CTAP(Channel time allocation period)、CAP(Channel access period).每个CTAP又被分为多个CTA(Channel Time Allocation,通常1个DEV被分配一个CTA),每个CTA由多个TU(Time Unit)组成.太赫兹无线个域网超帧结构如图1所示.

图1 太赫兹无线个域网超帧结构图Fig.1 T-WPANs′ frame structure

太赫兹无线个域网通常由一个PNC(Piconet coordinator)和多个DEV(Device)组成.DEV是网络中的基本通信单位,能够进行数据发送和接收;PNC作为一种特殊的DEV,负责管理整个网络的接入等功能.

PNC在每个超帧的BP时段广播包含网络同步信息和时隙分配信息的Beacon帧,收到Beacon信息的DEV会进行网络时间同步,且能获得自己在CTAP时段的时隙分配情况.在CTAP时段,采用TDMA方式接入信道,已获得时隙资源的DEV在属于自己的时隙中发送数据.在CAP时段,使用的是CSMA/CA的接入方式,有数据待发的DEV竞争接入信道向PNC发送时隙请求消息,PNC在收到请求后回复相应的ACK消息并在下一超帧的Beacon时段广播时隙分配信息.

2.2 问题描述

通过研究发现,现有的太赫兹无线MAC协议接入方法存在以下问题:

1)由于太赫兹波在大气中受水分子影响严重,导致太赫兹无线通信传播距离较短,受到干扰较为严重.在太赫兹无线通信过程中,DEV存在未收到Beacon消息或解析出错的情况,这均会导致已经分配了时隙的DEV无法获得自己被分配的时隙位置,无法在相应的时段内发送数据,其他节点也不会使用这部分时隙,造成这部分时隙资源无法被使用,导致时隙资源浪费.

2)在现有相关接入方法的标准帧聚合机制中,子帧头部和子帧其他部分(帧体、帧尾)被分开,子帧头部聚集到一起放于帧聚合的“MAC子头部”域,子帧头部包含子帧帧体的长度信息,若该子帧帧体长度信息损坏,则对应的子帧帧体无法正确提取,此时即使后续子帧的头部和帧体没有差错,也会导致后续子帧帧体无法正确提取,导致子帧不必要的重传.

3 RHSU-MAC协议

针对以上问题,提出了一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网MAC协议—RHSU-MAC协议.该协议能够更充分地利用未被使用的空闲时隙,且能提高标准帧聚合解析的可靠性,减少不必要的重传.

3.1 RHSU-MAC协议新机制

1)PNC基于监听使用CTA时隙

“PNC基于监听使用CTA时隙”新机制的基本思路是:PNC若在一个超帧中有数据待发但并未获得时隙,则它在CTAP时段的每个CTA开始时进行监听,若在第一个TU内若没有听到节点发出的信号,则可判断该CTA时隙未被使用,那么PNC可利用该CTA中剩余的时隙进行数据发送;若在第一个TU内听到节点发出的信号,则可判断该CTA时隙已被使用,等下一个CTA开始再继续监听.这样在PNC有数据待发送时,能充分利用CTA时隙资源,促进吞吐量的提高.该机制具体操作步骤如下:

步骤1.在CTAP时段,PNC判断:自己是否还有数据待发且在当前超帧没有获得时隙？如果是,则执行下一步;如果否,则结束本新机制的操作.

步骤2.PNC在当前CTA时段的第一个TU监听无线信号,PNC判断:是否收听到DEV发送的信号？如果是,则PNC停止监听直到当前CTA结束,转步骤1;如果否,执行下一步.

步骤3.PNC利用该CTA剩余的时隙资源(从该CTA的第二个TU开始到该CTA结束)发送数据.

步骤4.PNC判断:自己是否还有数据需要发送且CTAP时段尚未结束？如果是,转步骤1;如果否,结束本新机制的操作.

2)多维度双向子帧帧体提取

“多维度双向子帧帧体提取”新机制的基本思路是:收到标准聚合帧的节点先按帧头到帧尾方向(正向)依次从子帧头部提取出子帧帧体长度值,然后根据该值在聚合帧的“子帧域”(存放各子帧帧体和帧尾的域)提取出子帧帧体及帧尾,并进行差错校验;如果校验出错,则根据网络允许的子帧帧体的最大和最小长度,去提取帧体并进行差错校验;如果校验出错,则根据“子帧域”长度的组成情况确定可能出现的长度值,按照该长度值去提取帧体并进行差错校验;如果校验出错,则按帧尾到帧头方向(反向)、按相反的顺序,根据子帧头部的帧体长度值、帧体的最大和最小长度、帧体可能出现的长度值三个维度取提取子帧帧体并进行差错校验.

“多维度双向子帧帧体提取”新机制由PNC和DEV执行,主要操作步骤如下:

步骤1.各参数的设置及其初始化.设置“帧体提取方向标志”、“按帧体最大长度提取标志”、“按帧体最小长度提取标志”、“帧体可能长度”等变量,进行初始化.

步骤2.节点在组装标准聚合帧时,当子帧头部和帧体已经全部装入后,将子帧帧体按从大到小的顺序(缺省建议从大到小,若有具体需求从小到大也可)进行位置调整,子帧帧头的位置也做相应调整.

步骤3.节点收到标准聚合帧后,根据聚合帧的长度和结构计算出“子帧域”的长度,提取子帧数量,并设置对应变量的值.

步骤4.根据子帧头部内的子帧帧体长度值进行帧体提取.若当前节点使用取出的帧尾对子帧帧体进行差错校验结果错误,则执行下一步;否则,一直进行步骤4,直到子帧全部提取完毕,结束本新机制.

步骤5.根据步骤1中变量的值,分别按帧体最大长度、最小长度及可能长度对子帧帧体进行提取,若提取子帧校验结果正确,则转步骤4;否则,结束本新机制.

该新机制从三个维度(帧体长度字段值、帧体最大和最小长度、帧体可能长度)、两个方向(正、反方向)入手,尽可能多地提取出标准聚合帧中的子帧帧体,减少了子帧重传的数量,增强数据传输的可靠性,提高数据帧传输成功率和吞吐量.

3.2 性能分析

将HLMAC协议作为比较对象,对RHSU-MAC协议进行理论分析验证.

引理1.相较于HLMAC协议,RHSU-MAC协议能提升吞吐量.

证明:RHSU-MAC与HLMAC采用了相同的超帧结构,可设HLMAC和RHSU-MAC的网络吞吐量分别为SH和SR,则可得SH和SR分别如式(1)和式(2)所示.

(1)

(2)

引理2.RHSU-MAC协议有效时隙资源量≥HLMAC协议有效时隙资源量.

证明:有效时隙资源量定义为一个超帧内用于发送数据的时隙长度,即CTAP时段内的有效CTA之和.设RHSU-MAC协议和HLMAC协议的有效时隙资源量分别为TR和TH,则可得有效时隙资源量公式分别如式(3)和式(4)所示.

TH=TH_CTAP-RH·TGuard_time-TH_UCTA

(3)

TR=TR_CTAP-RR·TGuard_time-TR_UCTA

(4)

两种协议使用的超帧结构及网络场景均相同,则超帧各时段长度相同,PNC收到的时隙请求个数也相同,则有TH_CTAP=TR_CTAP,RH=RR.PNC为每个请求的DEV都分配一个CTA,TGuard_time为CTA间保护时间间隔.TH_UCTA和TR_UCTA为未被使用的CTA数,在RHSU-MAC协议中,PNC在CTAP时段有数据待发时,可以监听并使用空闲的CTA时隙,设p为PNC在CTAP时段有数据发送的概率(p>=0),则存在公式(5):

TR_UCTA=TH_UCTA·(1-p)

(5)

可知,TR_UCTA<=TH_UCTA,则有TR>=TH.证毕

4 MAC协议的实现与结果分析

4.1 MAC协议实现整体框架

本设计基于Xilinx KC705开发板,使用vivado开发软件,将MAC协议按照功能划分为帧生成模块、数据发送模块、帧解析模块、数据接收模块、控制管理模块等.其中,控制管理模块作为MAC协议运行的核心部分,协调和管理其他模块的运行.太赫兹MAC协议模块向上使用PCIE模块与上位机通信,向下使用GTX模块实现物理层传输功能.具体系统框图如图2所示.

图2 MAC协议实现的系统框图Fig.2 System block diagram of the MAC protocol

利用FPGA高速并行的特点,将MAC协议烧录到KC705开发板实现MAC协议功能,使用DMA(直接内存存取)方式可不通过CPU而直接与系统内存交换数据,进行高速数据读取,达到验证协议的目的.实现中所用到的主要参数如表1所示.

表1 主要参数设置
Table 1 Main parameters

参数数值 GTX最大传输(Gb/s)3.1104 PCIe最大传输速率(Gb/s)4 超帧长度(ms)1 TU长度(ns)192 子帧头部出错率0.00125 发送缓存大小(KB)512

4.2 结果分析

在Centos 7 环境下使用iperf网络性能测试软件对 RHSU-MAC协议和 HLMAC协议的网络吞吐量、丢包率等性能进行比较分析.

1)网络吞吐量

如图3所示,两种协议的吞吐量随着测试时间增加而逐渐增长并趋于平稳,测试得到的RHSU-MAC协议的网络吞吐量达到1.75Gbps,相较于HLMAC协议的1.64Gbps的传输速率,优化后的MAC协议在网络吞吐量方面有了明显提升.主要是由于PNC基于监听使用CTA时隙机制能够充分利用网络中的剩余时隙,从而提升吞吐量;同时多维度双向子帧帧体提取机制减少了数据帧不必要的重传,也促进了吞吐量的提升.

2)丢包率

如图4所示,RHSU-MAC协议丢包率低于HLMAC协议,且随着测试带宽的增加差距越明显.主要是由于PNC基于监听使用CTA时隙机制能更充分地利用时隙资源,能在测试带宽相同的情况下更多地发送数据,减少因时隙资源不足超时引起的丢包.同时多维度双向子帧帧体提取机制同样减少了不必要的重传,减少了重传所需时隙资源的开销,从而使得更多的时隙资源用于数据发送,使丢包率降低.

3)平均时延抖动

如图5所示,在测试带宽达到一定大之后(网络饱和),RHSU-MAC 协议的平均时延抖动明显低于HLMAC协议.主要由于在网络饱和状态下,PNC使用新机制能利用未使用的空闲时隙发送数据,不必等到下一超帧才发送数据,减少了数据在缓存区的等待时间,数据间的时延差也相应减少.多维度双向子帧帧体提取机制使数据重传次数降低,减少了重传数据与非重传数据间的时延差值,即降低了平均时延抖动.

图3 网络吞吐量对比Fig.3 Comparison of Network layer throughput

图4 丢包率对比Fig.4 Comparison of packet loss rate

图5 平均时延抖动对比Fig.5 Comparison of average time delay jitter

5 结 论

本文主要针对现有太赫兹MAC协议存在的时隙资源浪费、标准帧聚合传输不可靠等问题,提出了一种可靠高时隙利用率的太赫兹MAC协议—RHSU-MAC.提出了PNC基于监听使用CTA时隙和多维度双向子帧帧体提取两种新机制,采用FPGA上板测试的方式验证了新的MAC协议在性能方面的明显提升.在未来的工作中,将以RHSU-MAC协议为基础,继续优化时隙资源利用率,提升网络吞吐量.